(57)【要約】【課題】マッハツェンダ干渉器において、方向性結合器型の３ｄＢカプラを用いつつも、出力光を任意の比率で分配可能とする。【解決手段】基板８の主面８ａ側に設けられたクラッド１２と、クラッド中に設けられたコア１８とで構成された光導波路１１を備えており、光導波路が第１及び第２光導波路１６ａ及び１６ｂを備え、光結合可能な距離だけ離間して互いに平行に配置した第１及び第２光導波路で構成された第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒと、第１及び第２方向性結合器間に介在する第１及び第２光導波路で構成されたアーム部２２Ｃとを有し、第１及び第２方向性結合器は、第１波長λ１の第１光に対して３ｄＢカプラとして機能し、アーム部は、アーム部を伝搬する第１光に対して、（２ｍ＋ｚ）πの位相差（ｍは０以上の整数、ｚは０＜ｚ＜１の実数）を与える。【選択図】図１
2013068908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の主面側に設けられたクラッドと、該クラッド中に設けられたコアとで構成された光導波路を備えており、
該光導波路が第１及び第２光導波路を備え、
それぞれ、光結合可能な距離だけ離間して互いに平行に配置した前記第１及び第２光導波路の部分で構成された第１及び第２方向性結合器と、
前記第１及び第２方向性結合器間に介在する前記第１及び第２光導波路の部分で構成されたアーム部とを有し、
前記第１及び第２方向性結合器は、第１波長λ１の第１光に対して３ｄＢカプラとして機能し、
前記アーム部は、当該アーム部の前記第１及び第２光導波路を伝搬する前記第１光に対して、（２ｍ＋ｚ）πの位相差（ｍは０以上の整数、ｚは０＜ｚ＜１の実数）を与えるように構成されていることを特徴とする光素子。
【請求項２】
前記アーム部を構成する前記第１及び第２光導波路間の光路長差ΔＳ１を、下記式（１）を満たすように設定することを特徴とする請求項１に記載の光素子。
２ΔＳ１／λ１＝２ｍ＋ｚ・・・（１）
【請求項３】
第１及び第２方向性結合器の光伝搬方向に沿って測った幾何学的長さを、それぞれ、前記第１光の結合長の１／２とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の光素子。
【請求項４】
前記第１又は第２方向性結合器を構成する第１光導波路が、光伝搬方向に垂直で前記主面に平行な方向に測った長さである幅が第１幅の第１幅広領域と、前記第１幅よりも小さい第２幅の第１幅狭領域とを備えていて、
前記第１又は第２方向性結合器を構成する第２光導波路が、前記幅が前記第１幅の第２幅広領域と、前記第２幅の第２幅狭領域とを備えていて、
前記第１及び第２幅広領域と、前記第１及び第２幅狭領域とは、前記第１又は第２方向性結合器の中心点を対称中心として点対称に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光素子。
【請求項５】
前記第１及び第２方向性結合器を構成する第１光導波路が、光伝搬方向に垂直で前記主面に平行な方向に測った長さである幅が第１幅の第１幅広領域と、前記第１幅よりも小さい第２幅の第１幅狭領域とを備えていて、
前記第１及び第２方向性結合器を構成する第２光導波路が、前記幅が前記第１幅の第２幅広領域と、前記第２幅の第２幅狭領域とを備えていて、
前記第１及び第２幅広領域と、前記第１及び第２幅狭領域とは、前記第１及び第２方向性結合器の中心点を対称中心として点対称に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光素子。
【請求項６】
前記コアを構成する材料をＳｉとし、前記クラッドを構成する材料をＳｉＯ２とすることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光素子。
【請求項７】
前記コアを構成する材料は、前記クラッドを構成する材料の屈折率よりも４０％以上大きな屈折率を有していることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光素子。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載の光素子をそれぞれ第１及び第２メタ方向性結合器として備えるとともに、
該第１及び第２メタ方向性結合器間に介在する第１及び２光導波路で構成されたメタアーム部を備え、
前記第１及び第２メタ方向性結合器の前記アーム部が、それぞれの当該アーム部を伝搬する前記第１光に対して（２ｍ＋１／２）πの位相差を与えるように構成されており、
前記メタアーム部が、当該メタアーム部を伝搬する前記第１光に対して２Ｍπ（Ｍは０以上の整数）の位相差を与え、
前記第１及び第２メタ方向性結合器が備える第１光導波路と前記メタアーム部が備える第１光導波路とが接続されており、前記第１及び第２メタ方向性結合器が備える第２光導波路と前記メタアーム部が備える第２光導波路とが接続されていることを特徴とする光素子。
【請求項９】
前記メタアーム部を構成する前記第１及び第２光導波路間の光路長差ΔＳ２を、下記式（２）を満たすように設定することを特徴とする請求項８に記載の光素子。
２ΔＳ２／λ１＝２Ｍ・・・（２）
【請求項１０】
前記光素子に、さらに第１波長λ１とは異なる波長の第２波長λ２の第２光が入力され、
前記光路長差ΔＳ２を、前記第２光について、下記式（３）を更に満たすように設定することを特徴とする請求項９に記載の光素子。
２ΔＳ２／λ２＝２Ｍ＋１・・・（３）
【請求項１１】
請求項８〜１０の何れか一項に記載の光素子を第１〜第ｉメタマッハツエンダ干渉計（ｉは２以上の整数）として備えており、
前記第１〜第ｉメタマッハツエンダ干渉計は、この順で直列に配置されており、
第ｊ及び第ｊ＋１メタマッハツエンダ干渉計（ｊは１〜ｉ−１の整数）の第１光導波路同士が接続されており、前記第ｊ及び第ｊ＋１メタマッハツエンダ干渉計の第２光導波路同士が接続されていることを特徴とする光素子。
【請求項１２】
前記第ｊ及び第ｊ＋１メタマッハツエンダ干渉計からなる全ての対について、
前記第ｊメタマッハツエンダ干渉計の前記第１及び第２光導波路と、前記第ｊ＋１メタマッハツエンダ干渉計の前記第１及び第２光導波路とが、前記第ｊ及び第ｊ＋１メタマッハツエンダ干渉計からなる構造体の中心点を対称中心として点対称に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、１本の光ファイバを伝搬する波長の異なる２種の光により双方向通信を行うに当たり、発光素子から出力される光と、受光素子へと入力される光との合分波を行う光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
加入者側から局側への光伝送（上り通信）と、局側から加入者側への光伝送（下り通信）とを１本の光ファイバで行う光加入者系の通信システムにおいては、上り通信及び下り通信を異なる波長の光で行うことがある。この場合、局側及び加入者側の双方で、異なる波長の光を合分波する光素子（以下、光合分波素子とも称する。）が必要となる。
【０００３】
光加入者系の通信システムで用いられる加入者側終端装置（ＯＮＵ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ｕｎｉｔ）は、空間光学的に光軸合わせされた光合分波素子、発光素子及び受光素子を備えている。しかし、近年、光軸合わせの手間を軽減するために、光導波路により構成された光合分波素子が開発されている（例えば、特許文献１〜５参照）。この光導波路を用いた光合分波素子（以下、導波路型光素子とも称する。）では、光の伝搬経路を、予め作り込まれた光導波路内に限定するので、従来の光合分波素子におけるレンズやミラー等の光軸合わせが不要となる。さらに、導波路型光素子では、発光素子及び受光素子を、予め光合分波素子に作成されたマークを基準にして、光導波路の入出射端に位置合わせすればよい。そのため、発光素子及び受光素子に入出射される光ビームの厳密な光軸合わせの手間が大幅に省かれる。
【０００４】
近年、ＳｉＯ２を材料とするクラッドと、ＳｉＯ２との屈折率差が大きなＳｉを材料とするコアとで光導波路（以下、Ｓｉ光導波路とも称する。）を構成した導波路型光素子が報告されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。
【０００５】
Ｓｉ光導波路は、コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも非常に大きいために、光を光導波路に強く閉じ込めることができる。また、この大きな屈折率差を利用して、光を１μｍ程度の小さい曲率半径で曲げる曲線状光導波路を実現することができる。さらに、製造時に、Ｓｉ電子デバイスでの加工技術が利用できるために、きわめて微細なサブミクロンの断面構造を実現できる。これらのことから、Ｓｉ光導波路を用いることで、導波路型光素子を小型化することができる。
【０００６】
Ｓｉ光導波路製の導波路型光素子として、波長分離素子としても機能する１段のマッハツェンダ干渉計（以下、ＭＺ干渉計とも称する。）が開示されている（例えば、非特許文献４参照）。この文献のＭＺ干渉計は、幅が徐々に変化する光導波路（以下、幅テーパ導波路とも称する。）により方向性結合器を構成している。その結果、文献のＭＺ干渉計は、光導波路の幅方向の寸法誤差（以下、幅誤差とも称する。）に対する耐性に優れており、また偏波無依存で動作する等の優れた特性を有している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．２２，ｐ．２３９２，２００６年１１月
【非特許文献２】Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２３，ｐ．１９６８，２００８年１２月
【非特許文献３】Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．２３，ｐ．２３８９１，２０１０年１１月
【非特許文献４】国際会議ＯＦＣ２０１１予稿集、講演番号ＯＴｈＭ３
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許４８６０２９４号明細書
【特許文献２】米国特許５７６４８２６号明細書
【特許文献３】米国特許５９６０１３５号明細書
【特許文献４】米国特許７０７２５４１号明細書
【特許文献５】特開平８−１６３０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、より特性の優れた多段のＭＺ干渉計型の導波路型光素子を、この方向性結合器により構成することはできなかった。それは、この方向性結合器の機能が３ｄＢカプラに限られているためである。すなわち、多段のＭＺ干渉計型の導波路型光素子を波長分離素子として機能させる場合、個々のＭＺ干渉計に任意の分配率が求められる。つまり、３ｄＢカプラとして機能する方向性結合器でＭＺ干渉計を構成した場合、分配比は１：０に限定されてしまうため、２個の出力ポートに任意の強度比で光を出力することができなかった。
【００１０】
この発明は、このような問題に鑑みなされた。従って、この発明では、方向性結合器型の３ｄＢカプラを用いつつも、出力光を任意の比率で分配可能であり、それゆえ多段のＭＺ干渉計型の波長分離素子にも適用可能なＭＺ干渉計としての光素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的の達成を図るために、発明者は鋭意検討の結果、方向性結合器のアーム部を構成する２本の光導波路を伝搬する光に所定の位相差を発生させることに想到した。従って、この発明の光素子は、基板の主面側に設けられたクラッドと、クラッド中に設けられたコアとで構成された光導波路を備えている。そして、光導波路は第１及び第２光導波路を備えている。
【００１２】
そして、これらの第１及び第２光導波路で、第１及び第２方向性結合器とアーム部とが構成されている。第１及び第２方向性結合器は、それぞれ、光結合可能な距離だけ離間して互いに平行に配置した第１及び第２光導波路の部分を備える。アーム部は、第１及び第２方向性結合器間に介在する前記第１及び第２光導波路の部分で構成されている。
【００１３】
そして、第１及び第２方向性結合器は、第１波長λ１の第１光に対して３ｄＢカプラとして機能する。また、アーム部は、アーム部の第１及び第２光導波路を伝搬する第１光に対して、（２ｍ＋ｚ）πの位相差（ｍは０以上の整数、ｚは０＜ｚ＜１の実数）を与えるように構成される。
【発明の効果】
【００１４】
この発明の光素子は、方向性結合器のアーム部に所定の位相差を発生させるように構成している。その結果、この発明によれば、３ｄＢカプラとして方向性結合器を用いつつも、出力光を任意の比率で分配可能であり、それゆえ多段のＭＺ干渉計型の波長分離素子に適用可能なＭＺ干渉計としての光素子が得られる
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】（Ａ）は、実施形態１の光素子の構造を概略的に示す平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）をＡ−Ａ線に沿って切断した端面図である。
【００１６】
【図２】（Ａ）は、実施形態２の光素子の構造を概略的に示す平面図である。（Ｂ）は、（Ａ）における第１方向性結合器部分の拡大平面図である。（Ｃ）は、（Ａ）における第２方向性結合器部分の拡大平面図である。
【図３】実施形態２の光素子に用いる方向性結合器の特性を示す特性図である。
【図４】実施形態２の光素子に用いる方向性結合器の効果の説明に供する特性図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態２の光素子の動作特性を示す特性図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、実施形態２の光素子の動作特性を示す特性図である。
【図７】実施形態３の光素子の構造を概略的に示す平面図である。
【図８】実施形態４の光素子の構造を概略的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
【００１８】
［実施形態１］
以下、図１を参照して、実施形態１の光素子について説明する。図１（Ａ）は、光素子の構造を概略的に示す平面図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）をＡ−Ａ線に沿って切断した端面図である。なお、図１（Ａ）において、光素子を構成するコア１８は、クラッド１２に覆われているために、直接目視することはできないが、強調のために実線で描いてある。
【００１９】
（構造）
図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、光素子１０の構造について説明する。光素子１０は、クラッド１２とコア１８とで構成される光導波路１１を備えている。光導波路１１はＭＺ干渉計２２を備えている。光導波路１１は、さらに、任意的な要素として入力部２４と出力部２６とを備えている。
【００２０】
クラッド１２は、基板８の主面８ａ側に一様な厚みで延在する膜体である。より詳細には、クラッド１２は、主面８ａ上に設けられており、内部に包含したコア１８とともに、光導波路１１を構成している。
【００２１】
以降、光素子の方向及び寸法に関して、光伝搬方向に垂直かつ主面８ａに平行な方向を幅方向と称し、幅方向に沿って測った幾何学的長さを「幅」と称する。また、主面８ａに垂直な方向を厚み方向と称し、厚み方向に沿って測った幾何学的長さを「厚み」と称する。同様に、光伝搬方向に沿って測った幾何学的長さを「長さ」と称する。また、所定の構造体の光伝搬方向に垂直な断面のことを「横断面」と称する。
【００２２】
クラッド１２を構成する材料は、例えば、屈折率が約１．４４のＳｉＯ２とする。クラッド１２の厚みは約３μｍとする。そして、主面８ａからの距離が約１．５μｍの深さにコア１８が配置されている。基板８への不所望な光の結合を防ぐためには、コア１８と基板８との間に１μｍ以上の厚みのクラッド１２を介在させることが好ましい。基板８は、例えば、Ｓｉを材料とする。
【００２３】
コア１８は、クラッド１２の屈折率よりも４０％以上大きな屈折率を有する材料で形成されている。この実施形態に示す例では、コア１８は、屈折率が約３．４７のＳｉとする。
【００２４】
光導波路１１を構成する、入力部２４、ＭＺ干渉計２２及び出力部２６は、この順序で接続されている。より詳細には、入力部２４の入力用光導波路２４ａは、ＭＺ干渉計２２の第１光導波路１６ａの入力端ＩＮ１６ａに接続されている。ＭＺ干渉計２２の第１光導波路１６ａの出力端ＯＵＴ１６ａは、出力部２６の第１出力用光導波路２６ａに接続されている。ＭＺ干渉計２２の第２光導波路１６ｂの出力端ＯＵＴ１６ｂは、出力部２６の第２出力用光導波路２６ｂに接続されている。
【００２５】
光導波路１１は、全ての構成要素を断面矩形状のチャネル型導波路とする。また、光導波路１１は、全ての構成要素の厚みＤ１を３００ｎｍとする。また、後述する第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒを除いて、光導波路１１は、構成要素の幅Ｗ１を３００ｎｍとする。このように、第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒを除く光導波路１１の構成要素の横断面形状を幅３００ｎｍ及び厚み３００ｎｍの正方形状とすることにより、第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒを除く光導波路１１の構成要素を偏波無依存にすることができる。
【００２６】
光導波路１１を構成する入力部２４は、入力用光導波路２４ａとダミー導波路２４ｂとを備えている。入力用光導波路２４ａの一端は、クラッド１２の側面から露出している。この一端から第１波長λ１の第１光Ｌｔ１が入力される。入力用光導波路２４ａの他端は、ＭＺ干渉計２２を構成する第１光導波路１６ａに接続されている。ダミー導波路２６ｂは、一端部がクラッド１２の側面から露出しており、他端部が、ＭＺ干渉計２２を構成する第２光導波路１６ｂに接続されている。ダミー導波路２４ｂは、実質的に光素子１０の動作には関係しない。
【００２７】
光導波路１１を構成するＭＺ干渉計２２は、第１光導波路１６ａの入力端ＩＮ１６ａに入力された第１光Ｌｔ１を、第１及び第２光導波路１６ａ及び１６ｂの出力端ＯＵＴ１６ａ及びＯＵＴ１６ｂから、任意の分配比で出力する。より詳細には、アーム部２２Ｃにおいて第１光Ｌｔ１に生じさせる位相差Δφに応じた分配比で、第１光Ｌｔ１を出力端ＯＵＴ１６ａ及びＯＵＴ１６ｂに分配して出力させる。なお、分配比とは、入力された光が、ｘ：（１−ｘ）（ただし、ｘは０＜ｘ＜１）の比率で２個の出力ポートからそれぞれ出力されるときの比率ｘのことを示す。なお、ＭＺ干渉計２２が３ｄＢカプラとして機能する場合の分配比ｘは０．５となる。
【００２８】
ＭＺ干渉計２２は、構造的には、並列された２本の光導波路である第１及び第２光導波路１６ａ及び１６ｂで構成されている。また、機能的には、第１及び第２光導波路１６ａ及び１６ｂにより形成された第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒと、アーム部２２Ｃとを備えている。
【００２９】
ＭＺ干渉計２２の構造的要素である第１光導波路１６ａは、２個の第１直線部１６ａＬ及び１６ａＲと、第１湾曲部１６ａＣとを備えている。第１湾曲部１６ａＣは、これらの第１直線部１６ａＬ及び１６ａＲ間に介在している。第２光導波路１６ｂは、２個の第２直線部１６ｂＬ及び１６ｂＲと、第２湾曲部１６ｂＣとを備えている。第２湾曲部１６ｂＣは、これらの第２直線部１６ｂＬ及び１６ｂＲ間に介在している。なお、以下の記載において、特に断らない限り、「第ｇ直線部」又は「第ｇ湾曲部」（ｇ＝１又は２）とは、第ｇ直線部又は第ｇ湾曲部を構成する第ｈ光導波路（ｈ＝１又は２）の部分領域を示す。
【００３０】
ＭＺ干渉計２２の機能的要素である第１方向性結合器２２Ｌ、アーム部２２Ｃ及び第２方向性結合器２２Ｒは、この順番で直列に配置されている。第１方向性結合器２２Ｌは、第１及び第２直線部１６ａＬ及び１６ｂＬで構成されている。また、第２方向性結合器２２Ｒは、第１及び第２直線部１６ａＲ及び１６ｂＲで構成されている。同様に、アーム部２２Ｃは、第１及び第２湾曲部１６ａＣ及び１６ｂＣで構成されている。
【００３１】
第１方向性結合器２２Ｌは、光結合可能な距離だけ離間して互いに平行に配置された第１及び第２直線部１６ａＬ及び１６ｂＬで構成されている。第１及び第２直線部１６ａＬ及び１６ｂＬの長さＬ１は、互いに等しく、第１光Ｌｔ１に関する結合長の１／２とする。また、第１及び第２直線部１６ａＬ及び１６ｂＬの幅Ｗ２は、互いに等しく、約２８５ｎｍとする。また、第１及び第２直線部１６ａＬ及び１６ｂＬの厚みは、上述したＤ１とする。また、第１及び第２直線部１６ａＬ及び１６ｂＬの導波路間隔、すなわち第１及び第２直線部１６ａＬ及び１６ｂＬの中心間距離は、約６００ｎｍとする。
【００３２】
ここで、「結合長」とは、互いに平行な２本の直線状光導波路からなる方向性結合器において、一方の光導波路から入力された光が、他方の光導波路に完全にパワー移行するために要する、方向性結合器の光伝播方向に沿った幾何学的長さである。
【００３３】
第２方向性結合器２２Ｒは、寸法も含めて第１方向性結合器２２Ｌと同様に構成されている。
【００３４】
第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒの長さＬ１を第１光Ｌｔ１の結合長の１／２に設定することにより、第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒは、第１光Ｌｔ１に関して、３ｄＢカプラとして機能する。つまり、第１直線部１６ａＬから入力された第１光Ｌｔ１は、第１及び第２直線部１６ａＬ及び１６ｂＬにパワーが等分配されて、両直線部１６ａＬ及び１６ｂＬから１：１の分配比で出力される。第２方向性結合器２２Ｒも同様にして、第１直線部１６ａＲから入力された第１光Ｌｔ１を、第１及び第２直線部１６ａＲ及び１６ｂＲから１：１の分配比で出力させる。
【００３５】
また、上述のように第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒの厚みＤ１を３００ｎｍとし、幅Ｗ２を２８５ｎｍとすることにより、第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒを偏波無依存で動作させることができる。
【００３６】
再び、ＭＺ干渉計２２の機能的要素の説明に戻ると、アーム部２２Ｃは、並列された第１及び第２湾曲部１６ａＣ及び１６ｂＣで構成されている。アーム部２２Ｃは、自らを伝搬後の第１光Ｌｔ１に与える位相差Δφを（２ｍ＋ｚ）π（ｍは０以上の整数、ｚは０＜ｚ＜１の実数）とする条件（以下、位相差条件とも称する。）を満足するように構成されている。つまり、アーム部２２Ｃは、第１及び第２光導波路１６ａ及び１６ｂを伝搬する第１光Ｌｔ１に対して、０より大きくπ未満の位相差Δφを付与するように構成されている。
【００３７】
ＭＺ干渉計を伝搬する第１光Ｌｔ１に関する干渉条件は、Δφ＝２ｍπ及びΔφ＝（２ｍ＋１）πで与えられる。これらの２式は、第１光Ｌｔ１に付与される位相差Δφが２ｍπ又は（２ｍ＋１）πに等しい場合に、上述の分配比ｘが０又は１となることを表している。つまり、位相差Δφが２ｍπの場合が分配比ｘ＝０に対応し、第１光Ｌｔ１は出力端ＯＵＴ１６ｂのみから出力される。一方、位相差Δφが（２ｍ＋１）πの場合が分配比ｘ＝１に対応し、第１光Ｌｔ１は出力端ＯＵＴ１６ａのみから出力される。
【００３８】
ところで、位相差Δφが２ｍπに等しいとは、上述の位相差条件でｚ＝０の場合に対応し、位相差Δφが（２ｍ＋１）πに等しいとは、位相差条件でｚ＝１の場合に対応する。このことより、発明者は、ｚを０＜ｚ＜１とすることで、第１光Ｌｔ１に与える位相差Δφを２ｍπ＜Δφ＜（２ｍ＋１）πとできることに想到した。その結果、３ｄＢカプラである第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒを用いているにも関わらず、光素子１０は、第１光Ｌｔ１を任意の分配比ｘで出力可能となる。
【００３９】
第１光Ｌｔ１に対して、この範囲の位相差Δφを発生させるために、光素子１０では、アーム部２２Ｃを構成する第１及び第２湾曲部１６ａＣ及び１６ｂＣの光路長を異ならせている。なお、「光路長」とは、一般的に、光導波路の幾何学的な長さＰを、ある波長の光が感じる光導波路の等価屈折率ｑで補正した光学的な長さのことを示す。光路長をＳとすると、Ｓ，Ｐ及びｑの間には、下記式（１）が成り立つ。
Ｓ＝Ｐ×ｑ・・・（１）
【００４０】
ここで、第１湾曲部１６ａＣの光路長をＳａとし、第２湾曲部１６ｂＣの光路長をＳｂとする。また、第１及び第２湾曲部１６ａＣ及び１６ｂＣ間の光路長差（Ｓａ−Ｓｂ）を、ΔＳ１とする。ところで、位相差Δφと光路長差ΔＳ１との間には、２πΔＳ１／λ１＝Δφが成り立つので、位相差条件から、ΔＳ１は下記式（２）が成立するように設定すればよい。
２ΔＳ１／λ１＝２ｍ＋ｚ・・・（２）
【００４１】
なお、第１及び第２湾曲部１６ａＣ及び１６ｂＣの長さは、式（２）から求まるΔＳ１と、第１光Ｌｔ１に関する第１及び第２湾曲部１６ａＣ及び１６ｂＣの等価屈折率とから、式（１）により求めればよい。
【００４２】
再び、光導波路１１の構成の説明に戻ると、出力部２６は、第１出力用光導波路２６ａと第２出力用光導波路２６ｂとを備えている。第１出力用光導波路２６ａの一端は、第２方向性結合器２２Ｒの第１直線部１６ａＲに接続されている。第２出力用光導波路２６ｂの一端は、第２方向性結合器２２Ｒの第２直線部１６ｂＲに接続されている。第１及び第２出力用光導波路２６ａ及び２６ｂからは、それぞれ、ｘ：（１−ｘ）の強度比で第１光Ｌｔ１が出力される。
【００４３】
（動作）
以下、図１（Ａ）を参照して、光素子１０の動作について説明する。
【００４４】
入力部２４に入力された第１光Ｌｔ１は、入力用光導波路２４ａを伝搬して第１方向性結合器２２Ｌの第１直線部１６ａＬに至る。
【００４５】
第１方向性結合器２２Ｌの長さは、上述のようにＬ１に設定されている。その結果、第１光Ｌｔ１は、第１及び第２直線部１６ａＬ及び１６ｂＬ間の相互作用により、第１方向性結合器２２Ｌの伝搬が終了した時点で、第２直線部１６ｂＬに半分のパワーが移行する。つまり、第１方向性結合器２２Ｌは、３ｄＢカプラとして機能する。
【００４６】
続いて、第１光Ｌｔ１はアーム部２２Ｃを伝搬する。アーム部２２Ｃを構成する第１及び第２光湾曲部１６ａＣ及び１６ｂＣの光路長差ΔＳ１は、上述したように設定されている。よって、アーム部２２Ｃを伝搬後に、第１及び第２光湾曲部１６ａＣ及び１６ｂＣからそれぞれ出力される第１光Ｌｔ１には、上述したΔφの位相差が付与される。
【００４７】
続いて、第１光Ｌｔ１は、第２方向性結合器２２Ｒに入力される。第２方向性結合器２２Ｒは、第１方向性結合器２２Ｌと同様に構成されている。そのため、第１光Ｌｔ１に含まれる位相差が２ｍπの光成分は、第２直線部１６ｂＲへとパワーが移行し、分配比（１−ｘ）で第２出力用導波路２６ｂからクロス状態で出力される。同様に、第１光Ｌｔ１に含まれる位相差が（２ｍ＋１）πの光成分は、第１直線部１６ａＲへとパワーが移行し、分配比ｘで第１出力用導波路２６ａからバー状態で出力される。
【００４８】
ここで、「クロス状態で出力」とは、入力端ＩＮ１６ａから入力された光が、第２光導波路１６ｂに全てのパワーが移行し、出力端ＯＵＴ１６ｂから出力されることを意味する。また、「バー状態で出力」とは、入力端ＩＮ１６ａから入力された光が、第２光導波路１６ｂへのパワー移行が発生せず、出力端ＯＵＴ１６ａから出力されることを意味する。
【００４９】
なお、光導波路１１の幅及び厚みを上述のように設定した結果、光素子１０は、第１光Ｌｔ１に関して偏波無依存で動作する。つまり、第１光Ｌｔ１のＴＥ偏波成分とＴＭ偏波成分とは、分配比ｘが等しい。
【００５０】
このように、この実施形態の光素子１０は、３ｄＢカプラである第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒを用いているにも関わらず、第１光Ｌｔ１を任意の分配比で出力端ＯＵＴ１６ａ及びＯＵＴ１６ｂから出力できる。よって、光素子１０のＭＺ干渉計２２を、多段のＭＺ干渉計型の波長分離素子を構成する要素に用いることができる。
【００５１】
（変形例）
以下、光素子１０の変形例について説明する。
【００５２】
（変形例１）
この実施形態では、コア１８として、クラッド１２の屈折率よりも４０％以上大きな屈折率を有する材料を用いた場合について説明した。しかし、コアに十分な強度で光を閉じ込めることができれば、コアの屈折率は、クラッドの屈折率よりも４０％以上大きい必要は無い。このようなコア及びクラッドで構成された光導波路を備えた光素子も、第１光Ｌｔ１を任意の分配比で出力端ＯＵＴ１６ａ及びＯＵＴ１６ｂから出力できる。
【００５３】
（変形例２）
この実施形態では、光素子１０を偏波無依存とする場合について説明した。しかし、偏波無依存性は、光素子１０が満たすべき必要条件ではない。従って、幅と厚みとを変化させて、偏波依存性を発生させた光導波路で構成された光素子も本発明の範囲に含まれる。
【００５４】
［実施形態２］
以下、図２〜図６を参照して、実施形態２の光素子について説明する。図２（Ａ）は、光素子の構造を概略的に示す平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）における第１方向性結合器部分の拡大平面図である。図２（Ｃ）は、図２（Ａ）における第２方向性結合器部分の拡大平面図である。図３は、この実施形態の光素子に用いる方向性結合器の特性を示す特性図である。図４は、この実施形態の光素子に用いる方向性結合器の効果の説明に供する特性図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）と、図６（Ａ）及び（Ｂ）とは、この実施形態の光素子の動作特性を示す特性図である。なお、図２（Ａ）〜（Ｃ）において、光素子を構成するコア１８は、クラッド１２に覆われているために、直接目視することはできないが、強調のために実線で描いてある。
【００５５】
（構造）
図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、光素子３０の構造について説明する。光素子３０は、ＭＺ干渉計３２を構成する第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒの構造が、実施形態１の第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒと異なっている点を除いて、光素子１０と同様に構成されている。よって、図２において、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を適宜省略する。なお、実施形態１の方向性結合器との区別を明確にするため、以下の記載では、この実施形態の第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒを、第１及び第２幅差方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒとも称する。
【００５６】
図２（Ｂ）を参照すると、第１方向性結合器３２Ｌの第１直線部１６ａＬは、幅が第１幅ＷＷの第１幅広領域１６ａＬ１と、第１幅ＷＷよりも小さい第２幅ＷＮの第１幅狭領域１６ａＬ２とを備えている。第１幅広領域１６ａＬ１と第１幅狭領域１６ａＬ２とは、この順で直列に接続されている。第１幅広領域１６ａＬ１の長さを第１長ＬＷとし、第１幅狭領域１６ａＬ２の長さを第２長ＬＮとする。また、第１直線部１６ａＬの光伝搬方向に沿った中心線をＡ１６ａＬとする。
【００５７】
同様に、第１方向性結合器３２Ｌの第２直線部１６ｂＬは、幅が第２幅ＷＮの第２幅狭領域１６ｂＬ１と、第１幅ＷＷの第２幅広領域１６ｂＬ２とを備えている。第２幅狭領域１６ｂＬ１と第２幅広領域１６ｂＬ２とは、この順で直列に接続されている。第２幅広領域１６ｂＬ２の長さを第１長ＬＷとし、第２幅狭領域１６ｂＬ１の長さを第２長ＬＮとする。また、第２直線部１６ｂＬの光伝搬方向に沿った中心線をＡ１６ｂＬとする。
【００５８】
このように、第１及び第２幅広領域１６ａＬ１及び１６ｂＬ２は、第１幅ＷＷ及び第１長ＬＷが互いに等しく、第１及び第２幅狭領域１６ａＬ２及び１６ｂＬ１も、第２幅ＷＮ及び第２長ＬＮが互いに等しい。また、第１及び第２直線部１６ａＬ及び１６ｂＬは、それぞれの中心線Ａ１６ａＬ及びＡ１６ｂＬが互いに平行になるように配置されている。
【００５９】
第１及び第２幅広領域１６ａＬ１及び１６ｂＬ２と、第１及び第２幅狭領域１６ａＬ２及び１６ｂＬ１とは、第１方向性結合器３２Ｌの中心点３２ＬＯを対称中心として点対称に配置されている。
【００６０】
ここで、第１方向性結合器３２Ｌの中心点３２ＬＯとは、第１方向性結合器３２Ｌの長さ方向における中点を通過し幅方向に延びる第１直線Ａ１と、第１方向性結合器３２Ｌの幅方向における中点を通過し長さ方向に延びる第２直線Ａ２との交点のことを示す。ここで、第１方向性結合器３２Ｌの長さ方向における中点とは、第１方向性結合器３２Ｌの全長ＬＡ（＝ＬＷ＋ＬＮ）の中点ＬＡ／２に対応する点である。また、第１方向性結合器３２Ｌの幅方向における中点とは、中心線Ａ１６ａＬ及びＡ１６ｂＬの間隔の１／２に対応する点である。
【００６１】
図２（Ｃ）を参照すると、第２方向性結合器３２Ｒは、第１方向性結合器３２Ｌと同様に構成されている。すなわち、第２方向性結合器３２Ｒの第１直線部１６ａＲと、第１方向性結合器３２Ｌの第１直線部１６ａＬとが等しく構成されている。また、第２方向性結合器３２Ｒの第２直線部１６ｂＲと、第１方向性結合器３２Ｌの第２直線部１６ｂＬとが等しく構成されている。よって、第２方向性結合器３２Ｒについて、これ以上の説明を省略する。
【００６２】
ここで、第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒの寸法の一例を挙げる。第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒを構成する第１及び第２幅広領域１６ａＬ１，１６ｂＬ２，１６ａＲ１及び１６ｂＲ２に関して、第１幅ＷＷは、例えば、約３２０ｎｍとし、第１長ＬＷは、例えば、約１０μｍとする。第１及び第２幅狭領域１６ａＬ２，１６ｂＬ１，１６ａＲ２及び１６ｂＲ１に関して、第２幅ＷＮは、例えば、約２８０ｎｍとし、第２長ＬＮは、例えば、約１０μｍとする。また、中心線Ａ１６ａＬ及びＡ１６ｂＬの間隔と、中心線Ａ１６ａＲ及びＡ１６ｂＲの間隔とは、例えば、それぞれ約６００ｎｍとする。また、第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒを構成する第１及び第２光導波路１６ａ及び１６ｂの厚みＤ１は、３００ｎｍとする。
【００６３】
次に、第１及び第２幅ＷＷ及びＷＮと、第１及び第２長ＬＷ及びＬＮの決定方法について説明する。第１方向性結合器３２Ｌを構成する第１及び第２幅広領域１６ａＬ１及び１６ｂＬ２の第１幅ＷＷ及び第１長ＬＷと、第１及び第２幅狭領域１６ａＬ２及び１６ｂＬ１の、第２幅ＷＮ及び第２長ＬＮは、シミュレーションにより決定することが好ましい。すなわち、第１方向性結合器３２Ｌが、３ｄＢカプラとして機能するように、第１及び第２幅広領域１６ａＬ１及び１６ｂＬ２と、第１及び第２幅狭領域１６ａＬ２及び１６ｂＬ１の寸法を決定することが好ましい。
【００６４】
より具体的には、まず、第１方向性結合器３２Ｌを前半部分と後半部分とに分割してシミュレーションを実行する。ここで、前半部分とは、第１幅広領域１６ａＬ１及び第２幅狭領域１６ｂＬ１から構成される構造体を示す。また、後半部分とは、第１幅狭領域１６ａＬ２及び第２幅広領域１６ｂＬ２から構成される構造体を示す。
【００６５】
まず、前半部分において、シミュレーションを実行し、第１光Ｌｔ１に対して分配比ｘが最大となるように、第１及び第２幅と第１及び第２長を仮決めする。そして、前半部分に後半部分を結合して更にシミュレーションを実行し、第１方向性結合器３２Ｌ全体として、第１光Ｌｔ１に対する分配比ｘが０．５となり３ｄＢカプラとして機能するように、第１及び第２幅ＷＷ及びＷＮと第１及び第２長ＬＷ及びＬＮを調整する。
【００６６】
（方向性結合器の効果）
発明者の評価によれば、このように幅広領域と幅狭領域とを点対称に配置した第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒは、光素子１０が備える第１及び第２方向性結合器２２Ｌ及び２２Ｒよりも幅誤差に対する耐性が大きいことが明らかとなった。以下、この点について、図３及び図４を参照して説明する。上述のように、第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒは構成が同様なので、以下の記載では、第１方向性結合器３２Ｌを例に挙げて説明する。よって、特に明示の無い限り、以下の説明は、第２方向性結合器３２Ｒにも同様に成立する。
【００６７】
図３は、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法で求めた、第１方向性結合器３２Ｌの動作特性を示す特性図である。概略的に言えば、図３では、幅誤差を導入することで第１及び第２幅ＷＷ及びＷＮを変化させながら、第１方向性結合器３２Ｌからバー状態及びクロス状態で出力される光の強度比をそれぞれ求めている。ここで、バー状態で第１方向性結合器３２Ｌの第１直線部１６ａＬから出力される光をバー状態光（曲線Ｉ）と称する。また、クロス状態で第１方向性結合器３２Ｌの第２直線部１６ｂＬから出力される光をクロス状態光（曲線ＩＩ）と称する。図３において、縦軸は、バー状態光及びクロス状態光の入力光に対する強度比（ｄＢ）であり、横軸は、第１及び第２幅ＷＷ及びＷＮに導入する幅誤差（ｎｍ）である。
【００６８】
図３を求めるに当たり、第１方向性結合器３２Ｌの第１直線部１６ａＬに入力する入力光の波長は１．４９μｍとする。また、第１及び第２幅ＷＷ及びＷＮを除き、第１方向性結合器３２Ｌの構成要素の寸法や屈折率は、上述した値を用いた。また、第１及び第２幅ＷＷ及びＷＮに導入する幅誤差は、−２０〜２０ｎｍの間で変化させた。なお、「幅誤差がＥｎｍである」（Ｅは実数）とは、第１幅がＷＷからＷＷ＋Ｅへと変化し、第２幅がＷＮからＷＮ＋Ｅへと変化することをそれぞれ示す。
【００６９】
図３を参照すると、幅誤差が−２０〜２０ｎｍの範囲内で、曲線Ｉ及びＩＩは両者とも約−３ｄＢ（分配比ｘ＝０．５）で一定である。つまり、この範囲の幅誤差があろうとも、第１方向性結合器３２Ｌの分配比ｘは０．５で一定に保たれ、実用上十分な程度で３ｄＢカプラとして機能することが判る。
【００７０】
図４は、実施形態１の第１方向性結合器２２Ｌに、図３と同様の計算を行った特性図であり、この実施形態の第１方向性結合器３２Ｌが幅誤差に対して優れた耐性を有することを示すためのものである。すなわち、図４では、幅誤差を導入することで幅Ｗ２を変化させながら、第１方向性結合器２２Ｌから出力されるバー状態光及びクロス状態光の強度比をそれぞれ求めている。ここで、バー状態光（曲線ＩＩＩ）とは、第１方向性結合器２２Ｌの第１直線部１６ａＬから出力される光を示す。また、クロス状態光（曲線ＩＶ）とは、第１方向性結合器２２Ｌの第２直線部１６ｂＬから出力される光を示す。図４の縦軸及び横軸は、図３と同様の意味を表す。
【００７１】
図４を求めるに当たっては、第１方向性結合器２２Ｌを３ｄＢカプラとして機能させるために、全長Ｌ１を９．７μｍに設定している。また、全長Ｌ１以外の数値的条件及び計算法は、図３と同様とした。
【００７２】
図４を参照すると、幅誤差が０ｎｍにおいては、曲線ＩＩＩ及びＩＶは−３ｄＢで一致している。このことから、幅誤差が０ｎｍの場合、第１方向性結合器２２Ｌは３ｄＢカプラとして機能することが判る。しかし、０ｎｍ以外の幅誤差においては、曲線ＩＩＩ及びＩＶは一致せず、第１方向性結合器２２Ｌの分配比ｘが０．５から大きくずれていることが判る。つまり、第１方向性結合器２２Ｌは、０ｎｍ以外の幅誤差では、３ｄＢカプラとして十分に機能しないことが判る。
【００７３】
図３及び図４の比較より、この実施形態の第１方向性結合器３２Ｌは、実施形態１の第１方向性結合器２２Ｌよりも幅誤差に対する耐性に優れていることが明らかとなった。すなわち、幅広部１６ａＬ１及び１６ｂＬ２と幅狭部１６ａＬ２及び１６ｂＬ１とを点対称に配置した第１方向性結合器３２Ｌは、幅誤差が存在しても分配比ｘを０．５で一定に保つことができる。
【００７４】
なお、光素子３０は光素子１０と同様に動作するので、その説明を省略する。
【００７５】
（光素子の効果）
続いて、図５（Ａ）及び（Ｂ）と図６（Ａ）及び（Ｂ）とを参照して、光素子３０の効果について説明する。図５及び図６は、幅誤差を変化させながら、入力端ＩＮ１６ａに波長λ１を変化させた第１光Ｌｔ１を入力し、出力端ＯＵＴ１６ａ及びＯＵＴ１６ｂのそれぞれから出力される光の強度を、ＦＤＴＤ法により求めたものである。
【００７６】
図５及び図６において、縦軸は、出力端ＯＵＴ１６ａ及びＯＵＴ１６ｂから出力される光の、第１光Ｌｔ１に対する強度比（ｄＢ）であり、横軸は波長（μｍ）である。図５及び図６中の曲線Ｉは、出力端ＯＵＴ１６ａから出力されるバー状態光を示し、曲線ＩＩは、出力端ＯＵＴ１６ｂから出力されるクロス状態光を示す。
【００７７】
なお、図５及び図６を求めるに当たっては、光素子３０を、第１波長λ１＝１．４９μｍの第１光Ｌｔ１をクロス出力（分配比ｘ＝０）する波長分離素子として動作するように設計した。すなわち、アーム部３２Ｃにおける第１及び第２湾曲部１６ａＣ及び１６ｂＣの光路長差ΔＳ１を、２ΔＳ１／λ１＝２ｍに従うように設定した。具体的には、ΔＳ１を１．３５μｍとした。また、第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒの第１及び第２長ＬＷ及びＬＮをそれぞれ２．８μｍと設定した。これ以外の寸法や屈折率は、図２の場合と同様とした。
【００７８】
図５（Ａ）は、光素子３０に導入された幅誤差が−４０ｎｍの場合であり、図５（Ｂ）は、光素子３０に導入された幅誤差が−２０ｎｍの場合であり、図６（Ａ）は、光素子３０に導入された幅誤差が２０ｎｍの場合であり、図６（Ｂ）は、光素子３０に導入された幅誤差が４０ｎｍの場合である。幅誤差は、第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒに導入した。
【００７９】
図５及び図６を参照すると、幅誤差の大きさに関わりなく、光素子３０は、波長分離素子として機能していることが判る。幅誤差の大きさにより、光導波路１１の等価屈折率が変化することに由来して、各図でピーク波長がずれている。しかし、各図において、所定波長におけるピーク強度と、該波長でのボトム強度との比率には、大きな変化が見られない。このことより、光素子３０では、この幅誤差の範囲で、クロストーク特性が良好に保たれていることが判る。なお、ここで、クロストーク特性とは、第１光Ｌｔ１を出力端ＯＵＴ１６ａ及びＯＵＴ１６ｂに分けて出力する際の分離能力のことである。
【００８０】
以上説明したように、この実施形態の光素子３０は、光素子１０の奏する効果に加えて、幅誤差に対して高い耐性を有する。具体的には、図２より明らかなように、幅誤差があっても分配比ｘが一定に保たれる第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒを用いて光素子３０を構成している。その結果、第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒを備えた、光素子３０を波長分離素子として用いた場合には、クロストーク特性を改善できる。
【００８１】
（変形例）
以下、光素子３０の変形例について説明する。光素子３０は光素子１０と同様の変形が可能であるとともに、さらに以下に列記する変形が可能である。
【００８２】
（変形例１）
この実施形態では、光素子３０が、幅広領域と幅狭領域とを点対称に配置した第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒをアーム部３２Ｃの両側にそれぞれ備えている場合について説明した。しかし、第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒの個数は合計２個には限定されない。第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒのどちらか一方のみを備える光素子も幅誤差に対する耐性を実用上許容できる程度に保つことができる。
【００８３】
（変形例２）
この実施形態では、第１方向性結合器３２Ｌと第２方向性結合器３２Ｒとは、平行移動させたときに、互いに完全に重複する配置態様で、幅広領域及び幅狭領域が配置されている（以下、この配置態様を重複態様と称する。）。つまり、第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒを平行移動させたときに、第１幅広領域１６ａＬ１及び１６ａＲ１同士、第２幅広領域１６ｂＬ２及び１６ｂＲ２同士、第１幅狭領域１６ａＬ２及び１６ａＲ２同士、並びに、第２幅狭領域１６ｂＬ１及び１６ｂＲ１同士が重なり合う。
【００８４】
しかし、第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒを構成する幅広領域及び幅狭領域の配置態様は重複態様には限定されない。つまり、第１及び第２方向性結合器３２Ｌ及び３２Ｒを構成する幅広領域及び幅狭領域の配置態様が、鏡映の関係の配置態様（以下、この配置態様を鏡映態様と称する。）であってもよい。このように構成された光素子も幅誤差に対する耐性を実用上十分な程度に保つことができる。
【００８５】
（変形例３）
この実施形態では、第１及び第２幅広領域１６ａＬ１，１６ｂＬ２，１６ａＲ１及び１６ｂＲ２の第１長ＬＷと、第１及び第２幅狭領域１６ａＬ２，１６ｂＬ１，１６ａＲ２及び１６ｂＲ１の第２長ＬＮとが等しい場合について説明した。しかし、第１及び第２長ＬＷ及びＬＮを等しくする必要は無く、設計に応じた適当な値を選択できる。このように構成された光素子も幅誤差に対する耐性を実用上十分な程度に保つことができる。
【００８６】
［実施形態３］
以下、図７を参照して、実施形態３の光素子について説明する。図７は、光素子の構造を概略的に示す平面図である。なお、図７において、光素子を構成するコア１８は、クラッド１２に覆われているために、直接目視することはできないが、強調のために実線で描いてある。
【００８７】
（構造）
図７を参照して、光素子５０の構造について説明する。光素子５０は、言わば実施形態２の光素子３０を一構成要素として含んだものに対応する。より正確には、光素子５０は、実施形態２のＭＺ干渉計３２を第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２として備えている。よって、第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２の構成要素には、ＭＺ干渉計３２と同等の符号を付すとともに、符号に付した下付きの添字「１」又は「２」により、両者を区別する。また、図面の煩雑さを防ぐために、図７では、一部の構成要素の符号を省略している。
【００８８】
光素子５０を構成する光導波路１１は、光ユニット４０を備えている。光ユニット４０は、第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２と、メタアーム部３２３とで構成されている。詳しくは後述するが、光ユニット４０は、全体として、２個の方向性結合器と、アーム部とを備えた１個のＭＺ干渉計として機能する。すなわち、第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２が２個の方向性結合器と同等に動作し、メタアーム部３２３がアーム部と同等に動作する。そこで、以降、光ユニット４０を、メタマッハツェンダ干渉計（ＭＭＺ干渉計）４０とも称する。
【００８９】
また、この実施形態では、ＭＭＺ干渉計４０が波長分離素子として動作する場合について説明する。つまりＭＭＺ干渉計４０は、第１波長λ１の第１光Ｌｔ１と、第１波長λ１とは異なる波長の第２波長λ２の第２光Ｌｔ２との混合光を入力し、波長分離して、それぞれ異なる出力ポートから出力させる。なお、この実施形態では、第１光Ｌｔ１の第１波長λ１を、光加入者系通信システムで下り通信光として一般的に用いられる１．４９μｍとする。また、第２光Ｌｔ２の第２波長λ２を、光加入者系通信システムで上り通信光として一般的に用いられる１．３１μｍとする。
【００９０】
再び構成の説明に戻ると、光導波路１１は、さらに、任意的な要素として実施形態１と同様に構成された入力部２４と出力部２６とを備えている。
【００９１】
光導波路１１を構成する、入力部２４、第１メタ方向性結合器３２１，メタアーム部３２３，第２メタ方向性結合器３２２及び出力部２６は、この順序で接続されている。より詳細には、入力部２４の入力用光導波路２４ａは、第１メタ方向性結合器３２１の第１光導波路１６ａ１の入力端ＩＮ１６ａに接続されている。第２メタ方向性結合器３２２の第１光導波路１６ａ２の出力端ＯＵＴ１６ａは、出力部２６の第１出力用光導波路２６ａに接続されている。第２メタ方向性結合器３２２の第２光導波路１６ｂ２の出力端ＯＵＴ１６ｂは、出力部２６の第２出力用光導波路２６ｂに接続されている。
【００９２】
そして、第１及び第２のメタ方向性結合器３２１及び３２２が備える第１光導波路１６ａ１及び１６ａ２と、メタアーム部３２３が備える第１光導波路１６ａ３とが接続されており、第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２が備える第２光導波路１６ｂ１及び１６ｂ２と、メタアーム部３２３が備える第２光導波路１６ｂ３とが接続されている。
【００９３】
第１メタ方向性結合器３２１は、アーム部３２１Ｃが、第１光Ｌｔ１に対して、（２ｍ＋１／２）πの位相差Δφを与えるように構成されている。つまり、アーム部３２１Ｃは、上述した位相差条件であるΔφ＝（２ｍ＋ｚ）πにおいて、ｚを１／２に設定している。これにより、アーム部３２１Ｃは、第１光Ｌｔ１に対して、実質的にπ／２の位相差を付与する。その結果、第１メタ方向性結合器３２１の分配率ｘは０．５となり、第１メタ方向性結合器３２１は、第１光Ｌｔ１に関して３ｄＢカプラとして機能する。つまり、第１メタ方向性結合器３２１は、実施形態１で説明した第１方向性結合器２２Ｌと同様に動作する。この位相差Δφを与えるために、アーム部３２１Ｃの第１及び第２湾曲部１６ａ１Ｃ及び１６ｂ１Ｃ間の光路長差ΔＳ１を、ｚ＝１／２の条件で上式（２）を用いて設定する。
【００９４】
なお、この実施形態では、アーム部３２１Ｃの設計に当たり、第２光Ｌｔ２を考慮していない。それは、一般に方向性結合器においては、クロス出力光（第１光Ｌｔ１）については、干渉条件に厳密に従って設計する必要があるが、バー出力光（第２光Ｌｔ２）は、干渉条件を厳密に満たさなくとも、実用上十分な分配比でバー出力されるためである。よって、アーム部３２１Ｃを第１光Ｌｔ１に基づき設計し、第２光Ｌｔ２を考慮しなかった。
【００９５】
第２メタ方向性結合器３２２は、第１メタ方向性結合器３２１と同様に構成されており、実施形態１で説明した第２方向性結合器２２Ｒと同様に動作する。また、第２メタ方向性結合器３２２において、幅広領域及び幅狭領域は、第１メタ方向性結合器３２１と重複態様で配置されている。
【００９６】
メタアーム部３２３は、第１及び第２光導波路１６ａ３及び１６ｂ３を伝搬する第１光Ｌｔ１に対して２Ｍπ（Ｍは０以上の整数）の位相差ΔΦを与えるように構成されている。つまり、第１光Ｌｔ１をクロス出力させるために、メタアーム部３２３が第１光Ｌｔ１に付与する位相差ΔΦを、干渉条件であるΔΦ＝２Ｍπを満足するように設定する。
【００９７】
ここで、メタアーム部３２３を構成する第１湾曲部１６ａ３Ｃの光路長をＳ２ａとし、第２湾曲部１６ｂ３Ｃの光路長をＳ２ｂとする。また、第１及び第２湾曲部１６ａ３Ｃ及び１６ｂ３Ｃ間の光路長差（Ｓ２ａ−Ｓ２ｂ）を、ΔＳ２とする。ところで、波長λ１の第１光Ｌｔ１に関して、位相差ΔΦと光路長差ΔＳ２との間には、２πΔＳ２／λ１＝ΔΦが成り立つので、位相差条件から、ΔＳ２は下記式（３）が成立するように設定すればよい。
２ΔＳ２／λ１＝２Ｍ・・・（３）
【００９８】
第２光Ｌｔ２をバー出力させるためには、メタアーム部３２３が第２光Ｌｔ２に付与する位相差ΔΦを、干渉条件であるΔΦ＝（２Ｍ＋１）πが更に満たされるように設定するのが好ましい。ところで、波長λ２の第２光Ｌｔ２に関して、位相差ΔΦと光路長差ΔＳ２との間には、２πΔＳ２／λ２＝ΔΦが成り立つので、位相差条件から、ΔＳ２は下記式（４）を更に満たすように設定するのが好適である。
２ΔＳ２／λ２＝２Ｍ＋１・・・（４）
【００９９】
このように構成されたメタアーム部３２３は、メタアーム部３２３の伝搬後に、第１及び第２湾曲部１６ａ３Ｃ及び１６ｂ３Ｃに分布する第１光Ｌｔ１に対して、２Ｍπの位相差を付与する。また、第２光Ｌｔ２に対して、（２Ｍ＋１）πの位相差を付与する。
【０１００】
（動作）
以下、図７を参照して、ＭＭＺ干渉計４０の動作について説明する。入力部２４に入力された第１及び第２光Ｌｔ１及びＬｔ２は、入力用光導波路２４ａを伝搬して第１メタ方向性結合器３２１に至る。
【０１０１】
第１メタ方向性結合器３２１は上述のように構成されているので、第１メタ方向性結合器３２１の伝搬後に、第１光Ｌｔ１は、第２光導波路１６ｂ１へとパワーが移行する結果、第１及び第２直線部１６ａ１Ｒ及び１６ｂ１Ｒに等分配されて出力される。一方、第２光Ｌｔ２は、第２光導波路１６ｂ１へ殆どパワー移行することなく、第１直線部１６ａ１Ｒから出力される。つまり、第１メタ方向性結合器３２１は、第１光Ｌｔ１に関して３ｄＢカプラとして機能する。
【０１０２】
続いて、第１及び第２光Ｌｔ１及びＬｔ２はメタアーム部３２３Ｃを伝搬する。メタアーム部３２３Ｃを構成する第１及び第２光湾曲部１６ａ３Ｃ及び１６ｂ３Ｃの光路長差ΔＳ２は、上述したように設定されている。よって、メタアーム部３２３Ｃを伝搬後に、第１及び第２光湾曲部１６ａ３Ｃ及び１６ｂ３Ｃからそれぞれ出力される第１光Ｌｔ１には、２Ｍπの位相差が付与される。一方、第２光Ｌｔ２は、第１光湾曲部１６ａ３Ｃから出力される成分が殆どであり、第２光湾曲部１６ｂ３Ｃから出力される成分は僅かではあるが、両成分に（２Ｍ＋１）πの位相差が付与される。
【０１０３】
続いて、第１及び第２光Ｌｔ１及びＬｔ２は、第２メタ方向性結合器３２２に入力される。第２メタ方向性結合器３２２は、第１メタ方向性結合器３２１と同様に、３ｄＢカプラとして構成されている。その結果、第１光Ｌｔ１は、第２直線部１６ｂ２Ｒへと全てのパワーが移行し、第２出力用光導波路２６ｂからクロス状態で出力される。一方、第２光Ｌｔ２は、第２直線部１６ｂ２Ｒを伝搬する僅かな成分光が、第１直線部１６ａ２Ｒへとパワー移行し、第１出力用光導波路２６ａからバー状態で出力される。
【０１０４】
このように、ＭＭＺ干渉計４０は、方向性結合器と同等に機能するとともに、分配比をより精密に制御可能な第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２を用いて波長分離素子を構成している。よって、ＭＭＺ干渉計４０は、通常の方向性結合器を用いたＭＺ干渉計型の波長分離素子に比べてクロストーク特性に優れている。
【０１０５】
また、ＭＭＺ干渉計４０は、実施形態２の方向性結合器と同様の方向性結合器３２１Ｌ，３２１Ｒ，３２２Ｌ及び３２２Ｒを用いて構成されている。その結果、通常の方向性結合器を用いたＭＺ干渉計型の波長分離素子に比較して、幅誤差に対する耐性が優れている。
【０１０６】
（変形例）
以下、ＭＭＺ干渉計４０の変形例について説明する。ＭＭＺ干渉計４０は光素子１０及び３０と同様の変形が可能であるとともに、さらに以下に列記する変形が可能である。
【０１０７】
（変形例１）
この実施形態においては、第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２の分配比ｘを０．５に設定して３ｄＢカプラとして動作させ、単独のＭＭＺ干渉計４０が波長分離素子を構成する場合について説明した。しかし、第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２の分配比ｘは、任意の値に設定できる。実施形態４で後述するように、第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２の分配比ｘを０．５以外の値に調整したＭＭＺ干渉計４０を用いて、いわゆる多段のＭＺ干渉計型の波長分離素子を構成できる。
【０１０８】
（変形例２）
この実施形態では、第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２として、実施形態２のＭＺ干渉計３２を用いた場合について説明した。しかし、第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２としては、他の３ｄＢカプラを用いてもよい。例えば、実施形態１のＭＺ干渉計２２を、第１及び第２メタ方向性結合器３２１及び３２２として用いてもよい。
【０１０９】
［実施形態４］
以下、図８を参照して、実施形態４の光素子について説明する。図８は、光素子の構造を概略的に示す平面図である。なお、図８において、光素子を構成するコア１８は、クラッド１２に覆われているために、直接目視することはできないが、強調のために実線で描いてある。
【０１１０】
（構造）
図８を参照して、光素子６０の構造について説明する。光素子６０は、言わば、多段のＭＺ干渉計型の波長分離素子であり、実施形態３のＭＭＺ干渉計４０を複数個直列に接続したものに対応する。より正確には、光素子６０は、ＭＭＺ干渉計４０と略同様に構成された第１〜第ｉＭＭＺ干渉計４０−１〜４０−ｉ（ｉは２以上の整数）を備えている。よって、第１〜第ｉＭＭＺ干渉計４０−１〜４０−ｉの構成要素には、ＭＭＺ干渉計４０と同等の符号を付すとともに、符号の末尾に付した添字「−ｉ」により、第１〜第ｉＭＭＺ干渉計４０−１〜４０−ｉを区別する。また、図面の煩雑さを防ぐために、図８では、説明に必要な構成要素を除いて符号を省略している。
【０１１１】
光素子６０を構成する光導波路１１は、この順序で直列に配置された第１〜第ｉＭＭＺ干渉計４０−１〜４０−ｉを備えている。光導波路１１は、さらに、任意的な要素として実施形態１と同様に構成された入力部２４と出力部２６とを備えている。光素子６０は、第１光Ｌｔ１をクロス状態で出力し、第２光Ｌｔ２をバー状態で出力するように構成されている。
【０１１２】
第１〜第ｉＭＭＺ干渉計４０−１〜４０−ｉは、ＭＭＺ干渉計の第１光Ｌｔ１に関する分配比が異なっている以外は、実施形態３のＭＭＺ干渉計４０と同様に構成されている。すなわち、第１光Ｌｔ１をクロス出力するためには、個々の第１〜第ｉＭＭＺ干渉計４０−１〜４０−ｉの第１光Ｌｔ１に関する分配率の和を１にすればよい。そこで、第１〜第ｉＭＭＺ干渉計４０−１〜４０−ｉの第１光Ｌｔ１に関する分配率ｘをそれぞれ１／ｉとしている。
【０１１３】
ところで、任意の第ｒＭＭＺ干渉計４０−ｒ（ｒは１〜ｉの整数。）は、それぞれ２個のメタ方向性結合器３２１−ｒ及び３２２−ｒを備えている。よって、第ｒＭＭＺ干渉計４０−ｒの分配率を１／ｉとするためには、メタ方向性結合器３２１−ｒ及び３２２−ｒの分配率を１／（２ｉ）に設定すればよい。
【０１１４】
あとは、実施形態１での説明と同様にして、分配率が１／（２ｉ）となるように、メタ方向性結合器３２１−ｒのアーム部３２１Ｃ−ｒに導入する位相差を求める。そして、この位相差からアーム部３２１Ｃ−ｒの光路長差を求め、この光路長差を達成するようにアーム部３２１Ｃ−ｒを構成する第１及び第２湾曲部１６ａ１Ｃ−ｒ及び１６ｂ１Ｃ−ｒの長さを決定する。
【０１１５】
ここで、互いに隣接する第ｊ及び第（ｊ＋１）ＭＭＺ干渉計４０−ｊ及び４０−（ｊ＋１）（ｊは１〜ｉ−１の整数）の組み合わせを考える。そして、第ｊ及び第（ｊ＋１）ＭＭＺ干渉計４０−ｊ及び４０−（ｊ＋１）からなる構造体を第ｊペア構造体４２−ｊとする。このとき、第ｊＭＭＺ干渉計４０−ｊを構成する第１及び第２光導波路１６ａ−ｊ及び１６ｂ−ｊと、第（ｊ＋１）ＭＭＺ干渉計４０−（ｊ＋１）を構成する第１及び第２光導波路１６ａ−（ｊ＋１）及び１６ｂ−（ｊ＋１）とは、第ｊペア構造体４２−ｊの中心点Ｏ４２−ｊを対称中心にして、点対称に配置されている。ここで、第ｊペア構造体４２−ｊの中心点Ｏ４２−ｊとは、第ｊペア構造体４２−ｊの全構成要素についての重心に対応する。
【０１１６】
このように、第ｊ及び第（ｊ＋１）ＭＭＺ干渉計４０−ｊ及び４０−（ｊ＋１）を点対称配置にすることにより、クロス出力される第１光Ｌｔ１のピーク波長帯域を広げることができる。
【０１１７】
なお、光素子６０の動作は、第ｒＭＭＺ干渉計４０−ｒを伝搬後の第１光Ｌｔ１の分配率が１／ｉである点を除いて、実施形態３のＭＭＺ干渉計４０と同様である。従って、光素子６０の動作の説明を省略する。
【０１１８】
このように、光素子６０は、分配率を任意の値に精密に設定可能な多段の第１〜第ｉＭＭＺ干渉計４０−１〜４０−ｉ用いて波長分離素子を構成している。その結果、光素子６０は、１段のＭＺ干渉計型の波長分離素子に比べてクロス出力光及びバー出力光のピーク波長帯域を広げることが可能となる。
【０１１９】
また、光素子６０は、実施形態３の方向性結合器３２１Ｌ，３２１Ｒ，３２２Ｌ及び３２２Ｒを用いて構成されている。その結果、通常の方向性結合器を用いたＭＺ干渉計型の波長分離素子に比較して、幅誤差に対する耐性が優れている。
【０１２０】
（変形例）
以下、光素子６０の変形例について説明する。光素子６０は、光素子１０及び３０並びにＭＭＺ干渉計４０と同様の変形が可能であるとともに、さらに以下の変形が可能である。
【０１２１】
（変形例１）
この実施形態では、第ｊペア構造体４２−ｊを構成する第１及び第２光導波路を、中心点Ｏ４２−ｊを対称中心にして点対称に配置した場合について説明した。しかし、第ｊペア構造体４２−ｊを構成する第１及び第２光導波路を点対称に配置する必要は無く、重複態様で配置してもよい。このように構成しても、光素子６０は、実用上十分な波長分離能力を奏する。
【符号の説明】
【０１２２】
８  基板
８ａ  主面
１０，３０，５０，６０  光素子
１１  光導波路
１２  クラッド
１８  コア
２２，３２，  マッハツェンダ干渉計（ＭＺ干渉計）
３２ＬＯ，３２ＲＯ，Ｏ４２−ｊ  中心点
３２１，３２１−ｒ  第１メタ方向性結合器
３２２，３２２−ｒ  第２メタ方向性結合器
３２３，３２３Ｃ  メタアーム部
２２Ｌ，３２Ｌ，３２１Ｌ，３２２Ｌ  第１方向性結合器
２２Ｒ，３２Ｒ，３２１Ｒ，３２２Ｒ  第２方向性結合器
２２Ｃ，３２Ｃ，３２１Ｃ，３２２Ｃ，３２１Ｃ−ｒ  アーム部
１６ａＬ，１６ａＲ，１６ａ１Ｌ，１６ａ１Ｒ，１６ａ２Ｌ，１６ａ２Ｒ  第１直線部
１６ｂＬ，１６ｂＲ，１６ｂ１Ｌ，１６ｂ１Ｒ，１６ｂ２Ｌ，１６ｂ２Ｒ  第２直線部
１６ａＣ，１６ａ１Ｃ，１６ａ２Ｃ，１６ａ３Ｃ，１６ａ１Ｃ−ｒ  第１湾曲部
１６ｂＣ，１６ｂ１Ｃ，１６ｂ２Ｃ，１６ｂ３Ｃ，１６ｂ１Ｃ−ｒ  第２湾曲部
１６ａ，１６ａ１，１６ａ２，１６ａ３，１６ａ−ｊ，１６ａ−（ｊ＋１）  第１光導波路
１６ｂ，１６ｂ１，１６ｂ２，１６ｂ３，１６ｂ−ｊ，１６ｂ−（ｊ＋１）  第２光導波路
１６ａＬ１，１６ａＲ１  第１幅広領域
１６ａＬ２，１６ａＲ２  第１幅狭領域
１６ｂＬ１，１６ｂＲ１  第２幅狭領域
１６ｂＬ２，１６ｂＲ２  第２幅広領域
Ａ１６ａＬ，Ａ１６ｂＬ，Ａ１６ａＲ，Ａ１６ｂＲ  中心線
Ａ１  第１直線
Ａ２  第２直線
ＩＮ１６ａ  入力端
ＯＵＴ１６ａ，ＯＵＴ１６ｂ  出力端
２４  入力部
２４ａ  入力用光導波路
２４ｂ  ダミー導波路
２６  出力部
２６ａ  第１出力用光導波路
２６ｂ  第２出力用光導波路
４０  光ユニット（メタマッハツェンダ（ＭＭＺ）干渉計）
４０−ｒ  第ｒＭＭＺ干渉計
４０−ｊ  第ｊＭＭＺ干渉計
４０−（ｊ＋１）  第（ｊ＋１）ＭＭＺ干渉計
４２−ｊ  第ｊペア構造体
【図１】
2013068908.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013068908.tif 000009
【図８】
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